راه اندازی سریع مغناطیس در تک لایه BiH. تصویرa : تصویری از شبکه شش ضلعی BiH و راه اندازی فوق سریع مغناطیس - یک پالس لیزر فمتوثانیه قوی بر روی ماده تابش شده و جریان های الکتریکی ای را برانگیخته می کند که از طریق برهمکنش اسپین-مدار باعث مغناطیسی شدن و وارونگی اسپین میشوند. b: ساختار نواری BiH با و بدون SOC (باندهای قرمز و آبی به ترتیب نشان دهنده حالت های اشغال شده و غیر اشغالی هستند). در مورد SOC، هر باند دچار تبهگنی اسپین است.c : مقدار چشم داشتی محاسبه‌شده اسپین، <Sz(t)>، ایجاد شده توسط پالس‌های قطبیده دایروی برای چندین شدت محرک (برای طول موج 3000 نانومتر). مولفه x میدان محرک در واحدهای دلخواه برای انتقال مقیاس های زمانی مختلف در دینامیک را نشان داده است.

نور شدید لیزر می تواند مغناطیس را در جامدات در مقیاس آتوثانیه القا کند - که سریع ترین پاسخ مغناطیسی تا به امروز است. این یافته‌ای است که توسط نظریه‌پردازان مؤسسه ماکس پلانک برای ساختار و دینامیک ماده در هامبورگ آلمان به دست آمده‌ و از شبیه‌سازی‌های پیشرفته برای بررسی فرآیند مغناطیسی در چندین ماده دو و سه بعدی استفاده شده است.

محاسبات آنها نشان می دهد که در ساختارهایی با اتم های سنگین، دینامیک الکترونی سریعِ آغاز شده توسط پالس های لیزری، می تواند به مغناطیس آتوثانیه ای تبدیل شود. این اثر در npj Computational Materials منتشر شده است.

این تیم بر روی چندین سیستم مواد دو بعدی و سه بعدی به عنوان معیار تمرکز کردند، اما نتایج در مورد همه موادی که شامل اجزای اتمی سنگین هستند قابل اعمال است. اوفر نوفلد Ofer Neufeld، نویسنده اصلی این مقاله، توضیح می‌دهد: «اتم‌های سنگین به طور ‌ویژه مهم هستند، زیرا برهم‌کنش قوی اسپین-مدار را القا می‌کنند. "این برهمکنش برای تبدیل حرکت الکترون القایی از نور به قطبش اسپینی یا به عبارت دیگر به مغناطیس، کلیدی است. در غیر این صورت، نور به سادگی با اسپین الکترون ها برهمکنش نمی کند."

درست مانند سوزن های ریز قطب نما، الکترون ها را می توان به عنوان یک سوزن داخلی که به سمتی در فضا اشاره می کند، تصور کرد. "بالا" یا "پایین" - به اصطلاح "اسپین". جهت اسپین هر الکترون به محیط شیمیایی اطراف آن بستگی دارد، برای مثال اینکه کدام اتم ها را می تواند ببیند و الکترون های دیگر کجا هستند. در مواد غیر مغناطیسی، الکترون ها به طور مساوی در تمام جهات می چرخند. در مقابل، هنگامی که اسپین های تک تک الکترون ها با یکدیگر همسو می شوند تا در یک جهت قرار گیرند، ماده مغناطیسی می شود.

نظریه پردازان بررسی هایی را آغاز کردند که هنگامی که جامدات با پالس های لیزری قوی قطبیده خطی برخورد می کنند چه پدیده های مغناطیسی می تواند رخ دهد؛ پدیده هایی که معمولاً الکترون ها را در مقیاس های زمانی بسیار سریع درون ماده شتاب می دهند. نوفلد می‌گوید: «کاوش این شرایط بسیار جذاب است، زیرا وقتی پالس‌های لیزر دارای قطبش خطی هستند، معمولاً اعتقاد بر این است که هیچ مغناطیسی را القا نمی‌کنند».

به طور غیرمنتظره‌ای، شبیه‌سازی‌های آن‌ها نشان داد که این لیزرهای بسیار قدرتمند مواد را مغناطیسی می‌کنند، حتی اگر خاصیت مغناطیسی گذرا باشد – و فقط تا زمانی که پالس لیزر خاموش شود دوام ‌آورد. با این حال، قابل توجه ترین یافته به سرعت این فرآیند مربوط می شود: مغناطش در مقیاس های زمانی بسیار کوتاه، کمتر از 500 آتوثانیه انجام می شود– که یک پیش بینی برای سریع ترین پاسخ مغناطیسی تا کنون است. تا حدود 32 میلیارد سال. برای مقیاس،نسبت یک آتوثانیه به یک ثانیه، مانند نسبت یک ثانیه به حدود 32 میلیارد سال است.

این تیم با استفاده از ابزارهای شبیه‌سازی پیشرفته برای توضیح مکانیسم زیربنایی، نشان دادند که نور قوی، اسپین‌های الکترون‌ها را به جلو و عقب می‌چرخاند. لیزر به طور موثر الکترون ها را در مدارهای دایره ای شکل در فضای چند صد آتوثانیه شتاب می دهد. این فعل و انفعالات قوی اسپین-مدار سپس جهت های اسپینی را تراز می کند.

این فرآیند را می توان به عنوان یک توپ بولینگ در حال لغزش روی یک سطح تصور کرد که سپس شروع به غلتیدن می کند: در این قیاس، نور توپ را هل میدهد، و برهمکنش های اسپین-مدار (نیرویی که از هسته های سنگین مجاور در چرخش الکترون به دور آن، ناشی میشود) باعث می شود که به جلو و عقب قل بخورد و آن را مغناطیسی کند. هر دو نیرو با هم عمل می کنند تا توپ بغلتد.

نوفلد می‌گوید: نتایج، بینش‌های جدید و شگفت‌انگیزی را در مورد اصول مغناطیس‌سازی ارائه می‌دهد: "ما دریافتیم که این یک اثر بسیار غیرخطی است که می‌توان آن را با خواص لیزر تنظیم کرد. اگرچه به طور واضح اثبات نمی‌شود، اما بر اساس نتایج حد سرعت نهایی برای مغناطیس باید چند ده آتوثانیه باشد، زیرا این محدودیت سرعت طبیعی حرکت الکترونی است.

درک این فرآیندهای مغناطیسی ناشی از نور در سطح اساسی آنها در طیف وسیعی از مواد، گامی مهم به سمت توسعه دستگاه های حافظه فوق سریع است و درک فعلی از مغناطیس را تغییر می دهد.

منبع:

Intense lasers magnetize solids within attoseconds